本發(fā)明屬于海洋工程地基勘察領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及一種用于探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度的原位靜力觸探探頭和探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定大于500米水深的區(qū)域稱為“深海區(qū)”。深海中海洋工程結(jié)構(gòu)物在結(jié)構(gòu)形式、承力特點(diǎn)、基礎(chǔ)性能等方面與淺海結(jié)構(gòu)物有很大的不同，在設(shè)計(jì)施工中對(duì)土體參數(shù)的需求也不同。因此，準(zhǔn)確獲取深海海床淺表層土體的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)保證深海海洋結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定性具有極為重要的意義。

由于深海獨(dú)特的沉積特性，海床淺表層土體多為顆粒均勻結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的軟粘土，具有強(qiáng)度低、靜孔壓大、靈敏度高、流塑性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前已有的常規(guī)勘察方法極難得到準(zhǔn)確的強(qiáng)度參數(shù)。

傳統(tǒng)的強(qiáng)度評(píng)定方法有貫入試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)。貫入試驗(yàn)應(yīng)用較多的是錐式靜力觸探和微型貫入儀，錐式靜力觸探得到的貫入阻力與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系更多的是依靠工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)參數(shù)范圍較大，選取不當(dāng)容易造成計(jì)算結(jié)果存在較大的誤差；微型貫入儀輕便簡(jiǎn)單但對(duì)實(shí)驗(yàn)操作要求極高：貫入速率均勻恒定，不能有過(guò)快沖擊或停頓；讀數(shù)快速準(zhǔn)確；始終保持微型貫入儀垂直貫入土體等。三軸壓縮試驗(yàn)操作復(fù)雜，且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。而十字板剪切試驗(yàn)測(cè)得值趨于殘余強(qiáng)度，不能反映土體真正的峰值強(qiáng)度，且離散性較大，容易受到土體擾動(dòng)程度的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的是探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度的技術(shù)問(wèn)題，而提供了一種探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度的條形探頭及計(jì)算方法，通過(guò)將該條形探頭連續(xù)貫入土中，根據(jù)測(cè)得的土體阻力確定軟粘土的不排水剪切強(qiáng)度。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)以下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度的條形探頭，包括探桿，所述探桿底端連接有長(zhǎng)方形的條形端頭，所述條形端頭以其長(zhǎng)方形截面中心位置與所述探桿固定，所述探桿下端靠近所述條形端頭安裝有測(cè)力單元。

其中，所述探桿頂部設(shè)置有螺紋。

其中，所述條形端頭的寬度為2-8cm、長(zhǎng)度為寬度的至少5倍、厚度為0.5-1cm。

其中，所述測(cè)力單元為電阻式力傳感器或光纖力傳感器。

其中，所述探桿和所述條形端頭均由不銹鋼制成。

一種利用上述條形探頭探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度的計(jì)算方法，應(yīng)用所述條形探頭對(duì)軟粘土進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，測(cè)得軟粘土的條形探頭貫入阻力，通過(guò)公式(1)和(2)計(jì)算軟粘土不排水剪切強(qiáng)度su：

式中：b為所述條形探頭中所述條形端頭的寬度，

p為所述條形探頭的貫入阻力，

su為軟粘土不排水抗剪強(qiáng)度，

α為所述條形探頭與軟粘土之間的粘聚力系數(shù)，其中sinδ＝α＝a/su，a為所述條形探頭與軟粘土之間的粘聚力；

通過(guò)公式(1)和(2)計(jì)算得到軟粘土不排水剪切強(qiáng)度su的上限值和下限值，即可得出到軟粘土不排水剪切強(qiáng)度su的范圍。

本發(fā)明的有益效果是：

(一)本發(fā)明的條形探頭及計(jì)算方法探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度，由于條形探頭破壞機(jī)制可以消除上覆土壓力和孔隙水壓力的影響，無(wú)需額外修正；

(二)本發(fā)明的條形探頭及計(jì)算方法探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度，由于條形探頭投影面積比錐式探頭大，可以得到更為精確的不排水剪切強(qiáng)度值；

(三)本發(fā)明的條形探頭及計(jì)算方法探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度，條形探頭貫入阻力與軟粘土不排水剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系具有嚴(yán)格的理論解，從而大大降低了人為經(jīng)驗(yàn)因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所提供的條形探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所提供的條形探頭的設(shè)計(jì)圖；

其中(a)為正立面圖；(b)為側(cè)立面圖；(c)為俯視圖；

圖3是條形探頭的全流動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式圖；

圖4是本發(fā)明的條形探頭與原位十字板測(cè)得的土體不排水剪切強(qiáng)度的結(jié)果對(duì)比圖。

上述圖中：1、條形端部；2、測(cè)力單元；3、探桿；4、螺紋。

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容、特點(diǎn)及效果，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下：

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例提供了一種探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度的條形探頭，主要由條形端部1、測(cè)力單元2以及探桿3組成。

條形端頭1由一長(zhǎng)方形不銹鋼板制成，其長(zhǎng)a(50cm)，寬b(8cm)，厚c(1cm)。通常來(lái)講，條形端頭1的寬度b在2-8cm，長(zhǎng)度a為寬度的5倍以上，厚度c在0.5-1cm之間。

探桿3也采用不銹鋼制成，探桿3為圓柱體，直徑e(4cm)，長(zhǎng)d(200cm)；探桿3的直徑一般與條形端頭1的寬度相等或略小。探桿3頂端開(kāi)有螺紋4，可以與普通的靜力觸探探桿相連接。探桿3底端固定在條形端頭1的長(zhǎng)方形截面中心位置。

探桿3的下端靠近條形端頭1安裝有測(cè)力單元2，測(cè)力單元2可為電阻式力傳感器或光纖力傳感器。

利用上述條形探頭的探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度的方法如下：

1、對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分分別進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證其有效性。

在第一次使用前，需要對(duì)測(cè)力單元2的力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，以后每半年重新進(jìn)行標(biāo)定。

3、將原靜力觸探系統(tǒng)的錐式探頭取下，安裝本發(fā)明提供的條形探頭。

4、測(cè)量與貫入方法和靜力觸探系統(tǒng)的測(cè)量與貫入方法相同，此處不再贅述。

5、根據(jù)測(cè)試得到的條形探頭貫入阻力數(shù)據(jù)通過(guò)公式(1)和(2)計(jì)算軟粘土不排水剪切強(qiáng)度su：

式中：b為條形探頭中條形端頭1的寬度，

p為條形探頭貫入阻力，

su為軟粘土不排水抗剪強(qiáng)度，

α為所述條形探頭與軟粘土之間的粘聚力系數(shù)，其中sinδ＝α＝a/su，a為所述條形探頭與軟粘土之間的粘聚力；

通過(guò)公式(1)和(2)計(jì)算得到軟粘土不排水剪切強(qiáng)度su的上限值和下限值，即可得出到軟粘土不排水剪切強(qiáng)度su的范圍。

與傳統(tǒng)的強(qiáng)度測(cè)試方法相比，本發(fā)明的探測(cè)軟粘土不排水剪切強(qiáng)度的條形探頭及計(jì)算方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(一)與傳統(tǒng)錐式靜力觸探探頭相比，通過(guò)條形探頭貫入阻力p計(jì)算軟粘土不排水抗剪強(qiáng)度su時(shí)，可消除上覆土壓力和孔隙水壓力的影響，無(wú)需額外修正：

條形探頭貫入過(guò)程符合全流動(dòng)破壞模式。所謂的土體的全流動(dòng)模式就是符合圖3所示的的土體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。圖3中曲線為土體的運(yùn)動(dòng)線，射線為土體的主應(yīng)力線。該流動(dòng)模式認(rèn)為在條形探頭貫入過(guò)程中，土體沿條形探頭下端環(huán)繞條形探頭截面可以完全流動(dòng)到條形探頭的頂端，且土體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上下左右相互對(duì)稱。

根據(jù)全流動(dòng)破壞模式，土體運(yùn)動(dòng)的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是上下左右相互對(duì)稱的，因此在忽略條形探頭本身厚度范圍內(nèi)土體的上覆壓力與孔壓差異的條件下，可以認(rèn)為上覆土壓力與孔壓對(duì)條形探頭的貫入阻力沒(méi)有影響。但條形端頭1和探桿3連接部分沒(méi)有和土體相接觸，針對(duì)此處需要對(duì)全流動(dòng)靜力觸探方法測(cè)得的土體阻力進(jìn)行孔壓修正和容重超載修正。全流動(dòng)探頭的貫入和拔出阻力修正公式如下：

qfull-flow＝qt-[σv0-u0(1-α)]as/ap(3)

式中，qfull-flow為修正后的土體阻力，qt為測(cè)得的探頭阻力；σv0為土體貫入深度處的土體上覆土壓力；u0為貫入深度處的孔壓；as為探桿3橫截面積；ap為條形端頭1的豎向投影面積。由于as/ap一般小于1/10，此修正常常也忽略不計(jì)。

(二)由于條形探頭投影面積比錐式探頭大，因此可以得到更為精確的軟粘土不排水剪切強(qiáng)度：

由于深海中孔隙水壓力u2很大，在10mpa～15mpa之間，而深海淺表層土體強(qiáng)度較低，有效錐尖阻力在10～100kpa之間。有效錐尖阻力只有孔壓的1‰～1％左右，幾乎與力探測(cè)原件的誤差范圍一致，因此很難測(cè)得較為準(zhǔn)確的有效錐尖阻力。而條形探頭的平面投影面積為錐式探頭的10到100倍，相應(yīng)的有效貫入阻力也比錐式探頭大10到100倍左右，因此在相同的測(cè)量條件下，測(cè)得的條形探頭貫入阻力的相對(duì)測(cè)量誤差也比錐式探頭小10到100倍。

(三)條形探頭貫入阻力與軟粘土不排水剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系具有嚴(yán)格的理論解：

根據(jù)土體塑性理論，將土體簡(jiǎn)化為剛塑性材料，滿足tresca屈服準(zhǔn)則，且不考慮土重的影響。利用滑移線理論，構(gòu)造條形探頭貫入過(guò)程土體的滑移線場(chǎng)(如圖3所示)，在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)動(dòng)容許的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和靜力允許的應(yīng)力場(chǎng)，可求得條形探頭貫入過(guò)程的軟粘土阻力上下限解。

下限解為：

上限解為：

式中：b為條形探頭中條形端頭1的寬度，p為條形探頭貫入阻力，su為軟粘土不排水抗剪強(qiáng)度，α為所述條形探頭與軟粘土之間的粘聚力系數(shù)，其中sinδ＝α＝a/su，a為所述條形探頭與軟粘土之間的粘聚力。

應(yīng)用本發(fā)明條形探頭對(duì)某處軟粘土地基開(kāi)展了靜力觸探試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如上所述，貫入深度為3m，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出了土體不排水強(qiáng)度隨深度的變化曲線，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，條形探頭的測(cè)試結(jié)果與原位十字板測(cè)得軟粘土不排水抗剪強(qiáng)度十分接近，證明了條形探頭的有效性和準(zhǔn)確性。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。